Monografia Final - Avião

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68 E. E. "CULTO À CIÊNCIA" Aline Colombo Felipe Eiji Fujimura Fernanda Cristine Ribeiro Cabral Matheus Henrique Dantas FÍSICA NO AVIÃO CAMPINAS 2012 E. E. "CULTO À CIÊNCIA" Aline Colombo nº 01 Felipe Eiji Fujimura nº 10 Fernanda Cristine Ribeiro Cabral nº 11 Matheus Henrique Dantas nº 24 3º E FÍSICA NO AVIÃO Trabalho apresentado à E. E."Culto à Ciência" comopré-requisito para a obtenção de Conceito, em Física, para a Conclusão do Ensino Médio,Orientador: Fernando Torre Trabalho apresentado à E. E. "Culto à Ciência" como pré-requisito para a obtenção de Conceito, em Física, para a Conclusão do Ensino Médio, Orientador: Fernando Torre CAMPINAS 2012 Dedicamos essa monografia a todas as pessoas que nos ajudaram nesse processo, físicos, professores, orientador, família, amigos... A você, leitor. Resumo Nesta monografia estudaremos em detalhes a Física presente nas aeronaves e nos voos realizados, seu funcionamento, as teorias presentes e as aplicações desse conhecimento ao avião comercial, utilizado por grande parte da população. Inicialmente, entenderemos as diferenças entre os aviões, as forças aerodinâmicas que agem sobre eles e a divisão da estrutura de uma aeronave. Em um segundo momento, exploraremos a Física em cada processo, desde conceitos básicos, como as leis de Newton, até teorias mais complexas, como o Princípio de Bernoulli e o efeito Coanda. Por fim, entenderemos como o avião necessita de todas as suas divisões e subdivisões funcionando em sincronia, mas como todas elas são independentes e possuem uma estrutura individual para o seu funcionamento. O objetivo dessa monografia é explicar claramente a física no avião, apontar e corrigir certos conceitos explicados erroneamente e desmistificar a ideia de algo mais pesado que o ar não consegue decolar, expondo a segurança e a atenção que são dedicadas na construção e operação de um avião. Palavras-chave: Avião, Princípio de Bernoulli, Sustentação, Gaiola de Faraday, Leis de Newton, Radar Sumário Introdução...................................................................................................................................1 Capítulo 1: Aerodinâmica...........................................................................................................2 1.1 Atmosfera.............................................................................................................................2 1.2 Pressão..................................................................................................................................3 1.3 Densidade..............................................................................................................................4 1.4 Umidade................................................................................................................................4 Capítulo 2: Forças Aerodinâmicas............................................................................................5 Capítulo 3: O Avião....................................................................................................................7 3.1 Monomotores, bimotores e turboélices................................................................................7 3.2 Aviões a jato..........................................................................................................................7 3.3 Supersônicos.........................................................................................................................8 3.4 Partes do Avião Comercial...................................................................................................8 Capítulo 4: Cabine e Radome...................................................................................................11 4.1 Radar...................................................................................................................................11 4.1.1 Efeito Doppler................................................................................................................12 4.1.2 Eco...................................................................................................................................13 4.1.3 Radar Doppler..................................................................................................................14 4.1.4 Instrument Landing System (ILS) ...................................................................................14 Capítulo 5: Fuselagem..............................................................................................................16 5.1 Geradores...........................................................................................................................17 5.2 Sistema elétrico de um avião..............................................................................................18 5.3 Gaiola de Faraday...............................................................................................................21 5.4 Arrasto................................................................................................................................22 Capítulo 6: Aerofólios...............................................................................................................25 6.1 Hélices...............................................................................................................................25 6.1.1 Efeito Torque...................................................................................................................26 6.2 Asas.....................................................................................................................................26 6.2.1 Sustentação.......................................................................................................................28 6.2.2 Princípio de Bernoulli.....................................................................................................29 6.2.3 Leis de Newton................................................................................................................31 6.2.4 Efeito Coanda..................................................................................................................31 6.3 Coeficiente de Sustentação.................................................................................................33 6.4 Perdas e Ganhos de Sustentação........................................................................................34 6.4.1 Ângulo de Ataque...........................................................................................................34 6.4.2 Estol.................................................................................................................................35 6.4.3 Turbulência.....................................................................................................................36 6.4.4 Ângulo de Incidência.......................................................................................................39 6.4.5 Área da Asa.....................................................................................................................39 6.5 Formato do Aerofólio........................................................................................................39 6.6 Tubo de Pitot.......................................................................................................................41 Capítulo 7: Motores e Turbinas................................................................................................43 7.1 Ciclo Brayton....................................................................................................................48 7.2 Empuxo...............................................................................................................................49 7.3 Tipos de Motores e Turbinas.............................................................................................52 Capítulo 8: Comandos de Voo..................................................................................................54 8.1 Dispositivos Hipersustentadores.........................................................................................54 8.2 Comandos de Voo...............................................................................................................54 8.3 Comandos de Voo Primário...............................................................................................55 8.4 Comandos de Voo Secundário...........................................................................................55 8.5 Superfícies de Controle Compensadas..............................................................................56 Conclusão..................................................................................................................................57 Bibliografia...............................................................................................................................58 Introdução Antigamente voar era um mistério, as pessoas se questionavam como pássaros conseguiam levar voo. Mal sabiam elas que o homem avançaria em sua tecnologia e conhecimento a ponto de voar mais rápido que o próprio som. O estudo da aerodinâmica vem ajudando o homem em diversos fatores, como a locomoção, agilidade e defesa. Como foi possível o homem chegar até aqui? Essa monografia busca explorar a Física e seu envolvimento com as tecnologias humanas, mostrando que antigas teorias estão sendo colocadas em prática até hoje em importantes projetos. Entenderemos com essa leitura a Física do avião e também a Física da nossa vida, como o estudo da aerodinâmica e da ação e reação. Capítulo 1: Aerodinâmica Primeiramente, é necessário compreender a relação entre a atmosfera, a aeronave e as forças que agem no voo desta. A teoria de voo está relacionada com a aerodinâmica. Esse termo deriva da junção de duas palavras gregas "AER" (ar) e "DYNE" (força de potência). Quando combinamos as duas, temos a palavra aerodinâmica, que é o estudo dos objetos em movimento através do ar e as forças que são produzidas ou mudam tal movimento. Portanto, a aerodinâmica estuda a ação do ar sobre um objeto. "Ela é, além disso, definida como aquele ramo da dinâmica, que trata do movimento do ar e de outros gases, com as forças agindo sobre um objeto em movimento através do ar, ou com um objeto que esteja estacionário na corrente de ar." [1] A aerodinâmica está relacionada com três partes distintas: aeronave, o vento relativo e a atmosfera. 1.1 Atmosfera Antes de entrar nos fundamentos do voo, devemos levar algumas ideias básicas em consideração. O ar é uma mistura de gases composta principalmente pelo nitrogênio e pelo oxigênio. Sendo ele uma mistura, segue suas próprias leis dos gases. Além disso, o ar é considerado um fluido, ele define uma substância que pode fluir ou trocar a sua forma inicial através da aplicação de uma pressão moderada, diferente do sólido, que não altera sua forma, mas sim trajetória. Por fim, o ar tem um peso, uma vez que qualquer outro objeto ou coisa mais leve que ele, como um balão cheio de hélio, irá subir no ar, ou seja, o ar é a ação da gravidade. 1.2 Pressão Adotando que o ar também tem um peso, quanto maior a profundidade da superfície externa da atmosfera, maior também será a sua pressão. A pressão atmosférica é geralmente medida em termos de polegada de mercúrio, usando um dispositivo para medição. Figura: "medida da pressão atmosférica"[1] "Um tubo de vidro com 36 polegadas de comprimento, aberto em uma das extremidades e fechado na outra, é cheio com mercúrio; a extremidade aberta é selada temporariamente e, então, mergulhada em um recipiente parcialmente cheio de mercúrio, onde, logo após, a extremidade é aberta. Isso permite que o mercúrio do tubo desça, deixando um vácuo no topo do tubo. Parte do mercúrio flui para o recipiente, enquanto outra parte permanece no tubo. O peso da pressão atmosférica sobre o mercúrio no recipiente aberto, contrabalança o peso do mercúrio no tubo, o qual não tem a pressão atmosférica agindo sobre ele devido ao vácuo no topo do tubo. Na medida em que a pressão do ar ao redor aumenta ou diminui, a coluna de mercúrio corresponde descendo ou subindo. Ao nível do mar a altura do mercúrio no tubo mede aproximadamente 29,92 polegadas, embora varie suavemente com as condições atmosféricas."[1] A pressão atmosférica varia com a altitude. Quanto mais alto está o objeto em relação ao nível do mar, menor será a pressão exercida sobre ele. 1.3 Densidade Densidade significa peso por unidade de volume. Como o ar é um mistura de gases, ele pode ser comprimido. Por exemplo, se o ar em de um recipiente estiver sobre metade da pressão do ar em outro recipiente igual, o ar sobre pressão mais elevada terá seu peso duplicado em relação ao com metade da pressão. Se buscássemos pesos iguais, o ar sobre maior pressão deveria ocupar apenas metade do recipiente que o ar com menor pressão ocupa inteiro. Sendo assim, a densidade varia em proporção direta com a pressão. Porém, a densidade varia inversamente com a temperatura. Assim, o ar em grandes altitudes é menos denso em relação aos em pequenas altitudes, e a massa de ar quente é menos densa em relação à massa de ar frio. Por isso, mudanças climáticas ou abruptas de altitude interferem no desempenho da aeronave, esta que voa mais rápido em grandes altitudes, pois o ar contém menor número de partículas por volume e assim apresenta menos resistência. 1.4 Umidade Umidade é quantidade de vapor d'água no ar. A quantidade máxima de vapor que ar pode absorver varia de acordo com sua temperatura, sendo que quanto mais elevada ela é, mais vapor d'água o ar pode absorver. "O vapor d'água pesa aproximadamente cinco oitavos a mais que a mesma quantidade de ar perfeitamente seco. Dessa forma, quando o ar contém vapor d'água ele não é tão pesado quanto o ar que não contém umidade."[1] Nos dias úmidos, a densidade do ar é menor que nos dias secos. Por isso, uma aeronave requer pistas mais longas para decolagem nos dias úmidos que nos dias secos. Capítulo 2: Forças Aerodinâmicas São as forças que interferem no desempenho do avião, podendo fazer um avião levar voo, aumentar seu desempenho potencial e econômico. Quando arremessamos qualquer objeto no ar, certas forças atuam sobre ele. São elas: sustentação, peso, arrasto e empuxo (que interage diretamente com a tração). Figura: "Forças aerodinâmicas que agem sobre um avião"[2] O peso nada mais é do que a força de gravidade agindo para baixo, sobre o que está na aeronave, tal como a própria aeronave, sua tripulação, combustível e carga. O seu cálculo é conhecido por muitos e facilmente realizado: P=m.g Sendo P o peso resultante, m a massa da aeronave e g é a aceleração gravitacional. Um Boeing 747 pode pesar até 395 toneladas e mesmo assim consegue decolar. Sustentação é a força aerodinâmica produzida pelo movimento de um aerofólio (asa) através do ar. Possui linhas aerodinâmicas que facilitam o fluxo de ar a ser criado, para que consiga estabilidade e levante voo. A sustentação age verticalmente contrariando o efeito do peso. Sendo assim, para que o avião levante voo durante sua decolagem, deve vencer a força peso com a sua força de sustentação. Arrasto é uma força em direção à ré, sentido contrário ao movimento do avião, que avança. É causada pelo rompimento do fluxo de ar na asa, fuselagem e outros objetos salientes que apresentam uma resistência entre o fluido, ar, e a superfície, avião. Empuxo é a força produzida por um motor, força para frente que se sobrepõe à força de arrasto. Sendo assim, para que o avião ganhe velocidade, seu empuxo deve superar o arrasto para que a aeronave acelere. As quatro forças só estão em perfeito equilíbrio quando a aeronave está voo reto, nivelado e desacelerada. Se o arrasto superar o empuxo, o avião perde velocidade, o mesmo vale para o caso do empuxo superar o arrasto: o avião ganha velocidade. Se a sustentação é maior que o peso, ou seja, tem maior força, o avião ganha altitude e o mesmo vale para o inverso, se a sustentação tem força menor que a peso, o avião perde altitude. Devido a essa batalha de forças, para um voo saudável é necessário controle de todas essas forças, que sofrem variações externas, como é caso de tempestades, turbulências e fenômenos. Capítulo 3: O Avião Existem diversos tipos de aviões, suas características variam de acordo com objetivo do projeto da aeronave. Por exemplo, o que vai transportar, em que altitude, por quanto tempo, a que velocidade, feita de que tipo de material, com qual nível de tecnologia, entre outros fatores. A seguir, veremos três divisões básicas entre os aviões: os monomotores, bimotores e turboélices; os aviões a jato e os supersônicos. 3.1 Monomotores, bimotores e turboélices Aviões com essa classificação fazem uso de um motor que faz girar uma hélice, que cria o empuxo necessário para o impulso da aeronave. Os turboélices, em particular, são motores à reação que possuem uma hélice, essa impulsionada exercendo mesma função. Esses tipos de aviões são silenciosos, porém, tem desvantagem em velocidade, capacidade de carga e alcance, que são menores do que os a jato. As vantagens aparecem em seu custo de produção, vantajoso para quem deseja ter um avião próprio ou transporte de pequenas cargas. 3.2 Aviões a jato Os aviões considerados a jato fazem uso de turbinas para a criação de força necessária para a movimentação da aeronave, exemplo disso são os aviões comerciais, como o Boeing 777. Possuem mais força e criam empuxo muito mar que aviões com turboélices. Como consequência, conseguem carregar muito mais peso e possuem maior velocidade. Porém, grande quantidade de som é criada pela turbina, gerando poluição sonora. Aviões a jato possuem altas velocidades de cruzeiro (700 a 900 km/h) e velocidades de decolagem e pouso (150 a 250 km/h). [7] 3.3 Supersônicos Os aviões que recebem essa classificação, com o Concorde e os caças militares, fazem uso de turbinas especiais, que geram a maior potência necessária para o voo mais rápido que a velocidade do som (voo supersônico a mais de 340m/s). O desenho desse avião apresenta diferenças em relação aos subsônicos, de modo a superar o atrito do aparelho com o ar. Como a área quadrada da asa é reduzida, é necessária uma velocidade maior para compensar. "Por isso, você jamais vai ouvir que um caça fez um pouso forçado, pois na ausência de altas velocidades essa aeronave não plana."[7] 3.4 Partes do Avião Comercial O avião focado nesse trabalho será o avião comercial: "aeronave que transporta passageiros, tem peso acima de 22.680kg e com dois ou mais motores"[3], entre eles podemos citar Airbus A330 e Boeing 747. A figura a seguir apresenta um modelo de aeronave que utiliza turbinas, nossa guia para a identificação dos elementos: Figura: "Partes do Avião"[4] Cabine (Cockpit): A parte dianteira do avião, local de comando onde ficam os pilotos e os controles do avião; Fuselagem (Fuselage): O corpo do avião e a peça principal, onde outras peças são encaixadas e onde a carga é transportada; Turbina (Jet Engine): Peça que gera a propulsão do avião e é responsável pelo empuxo, fixada nas asas. Em aviões de pequeno porte e outros a turbina é substituída por hélices; Asa (Wing): Principal pare responsável pelo voo, é responsável pela sustentação; Slats: Peças que se localizam na parte frontal da asa e são auxiliares no aumento temporário de sustentação, usados também para a decolagem e na aterrissagem; Flapes: Peças que se localizam na parte posterior das asas e são auxiliares no aumento da sustentação, porém, eles também aumentam a resistência do ar, o arrasto, sendo recolhidos durante voos de alta velocidade; Ailerons: Peças que se localizam na parte posterior das asas também e são auxiliares no controle de sustentação de cada asa, movendo-se para cima ou para baixo visando alterar o fluxo de ar em certo lado da aeronave, "fazendo-a girar em torno de seu eixo longitudinal (movimento de rolagem)"[5]; Spoiler: Peças móveis da asa, próxima a parte posterior da asa. Quando acionado, ergue-se uma parte da asa que serve como um freio aerodinâmico. Altera sustentação e arrasto, "quando acionado em uma das asas, faz o avião "rolar" para o lado auxiliando na execução de curvas"[5]; Estabilizadores (Horizontal Stabilizer, Vertical Stabilizer): Peças que se localizam na extremidade traseira da causa do avião. É um conjunto de aerofólios simétricos responsáveis pelo nivelamento da aeronave; Profundores (Elevator): Peça móvel horizontal que se localiza na extremidade traseira da causa do avião. Muda o ângulo de subida e descida da aeronave, impedindo que fique balançando intensamente; Leme (Rudder): Peça que se localiza na extremidade traseira da causa do avião. Está no estabilizador vertical e é o seu movimento que gera a ação do estabilizador, mudando a aeronave de direção (esquerda ou direita); Winglet: Peça que se localiza na extremidade livre da asa do avião. Diminui o arrasto induzido que é gerado por um vórtice de ponta de asa, que transfere para aeronave barulhos e trepidações, com seu formato de aba vertical o winglet ameniza esse efeito. "Como reduz o arrasto e gera melhor eficiência, atualmente, quase 100% das aeronaves de grande porte que saem de fábrica vem com winglets."[6] Capítulo 4: Cabine e Radome As cabines modernas passam por uma criteriosa avaliação, buscando propiciar um ambiente de trabalho simples e completo, de modo a aumentar a segurança e reduzir possíveis falhas humanas. Sua finalidade não é sumir totalmente com o trabalho dos pilotos, mas sim não sobrecarregá-los e manter uma carga mínima. O radome (união de duas palavras em inglês, radar e dome[8], em português, radar e cúpula) é uma estrutura a prova d'água parecida com um gabinete que protege uma antena de micro-ondas. É feio de um material que atenua minimamente o sinal eletromagnético recebido ou transmitido pela antena. O radome protege a superfície da antena do tempo e esconde os equipamentos eletrônicos da vista do público. Não deixa com que o radar realize uma rotação irregular devido ao vento, o radome se encontra na ponta ou nariz do avião. Figura: "Radome aberto de um Boeing 767"[9] 4.1 Radar O radar é um instrumento que está presente em nosso dia-a-dia, porém, é esquecido por ser normalmente invisível. Diversos setores usam radares, como o controle de tráfego aéreo, os policiais no cálculo de velocidade e os meteorologistas usam para rastrear tempestades, furacões e tornados. É usado para detectar a presença de um objeto distante, sua velocidade ou mapear algo. Os radares aeronáuticos usam o eco e o efeito Doppler em seu funcionamento. 4.1.1 Efeito Doppler Johann Christian Andreas Doppler (1803 — 1853) foi um físico austríaco. "Notabilizou-se por descrever as alterações nas frequências das ondas sonoras, conforme a aproximação ou afastamento da fonte com relação ao observador, o denominado efeito Doppler." [10] A relação entre velocidade e comprimento de onda, denominada efeito Doppler, constitui uma experiência do nosso cotidiano. Ao ouvir um avião passando, quando ele se aproxima do ouvinte, seu motor soa mais agudo, e, quando ele continua e desaparece, se afastando, soa mais grave. O mesmo ocorre com uma sirene de ambulância, quando mais próxima, mais aguda seu som é. O agudo ouvido pelo ouvinte quando o avião está mais próximo corresponde a as ondas sonoras com menor comprimento de onda (a distância entre a crista de uma onda e a próxima) e uma maior frequência (o número de ondas por segundo). "Isso acontece porque, à medida que o avião se aproxima, ele estará mais perto de você quando emitir a própria crista de onda, diminuindo, assim, a distância entre as cristas das ondas." [11] Similarmente, à medida que esse avião se afasta do ouvinte parado, o comprimento das ondas aumenta e o som percebido é mais grave. Sua fórmula é dada por: Fo = FfV VoV Vf Sendo: Fo = frequência que o observador escuta Ff = frequência real da fonte V = velocidade da onda Vo = velocidade da onda do observador (positiva ao se aproximar da fonte, negativa ao se afastar) Vf = velocidade da fonte (positiva ao se afastar, negativa ao se aproximar do observador) Figura: "Efeito sonoro Doppler feito por um avião"[11] Perceba a proximidade das cristas das ondas representadas em azul, o blueshift (o ouvinte mais próximo e o som agudo) e a distância entre as ondas representadas em vermelho, redshift (o ouvinte mais distante e o som grave). 4.1.2 Eco O eco nada mais é que a reflexão de suas ondas sonoras que fizeram todo o caminho de volta aos seus ouvidos. Por exemplo, quando gritamos dentro de um poço, as ondas do grito vão até o seu fundo e refletem na superfície da água existente dentro dele. Essa reflexão volta aos seus ouvidos, criando o eco. Se você contar o tempo que o eco demorou para retornar após seu grito e souber a velocidade do som, é possível calcular a profundidade desse poço em relação à superfície. 4.1.3 Radar Doppler O radar Doppler é usado para detectar o objeto e sua velocidade. Considerando que queremos detectar aviões durante o voo, o equipamento liga seu transmissor e dispara uma rajada curta e de alta intensidade de ondas de rádio de alta frequência, podendo durar apenas um microssegundo. Em seguida, o radar desliga o transmissor e liga o receptor para ouvir o eco que será produzido por sua rajada. O radar mede o tempo que o eco levou para chegar, assim como o efeito Doppler do eco, ou seja, o comprimento da onda e a proximidade das cristas. "As ondas de rádio viajam na velocidade da luz, cerca de 300.000 km/s, o que significa que, se o equipamento tiver um relógio de alta velocidade, é possível medir a distância do avião com bastante precisão. Caso use um equipamento especial de processamento de sinais, o radar também pode medir o efeito Doppler com uma boa precisão e, dessa forma, determinar a velocidade do avião."[12] Além de detectar aviões, também pode ser usado como radar meteorológico, que detecta a direção de deslocamento e a velocidade de objetos em movimento. "Gotas de precipitação podem ser detectadas pelo radar meteorológico e seu deslocamento horizontal (afastamento ou aproximação) pode ser determinado." [13] A velocidade dessas partículas é medida também pelo efeito Doppler. Os radares meteorológicos modernos emitem "Banda X" que não são tão maléficas à saúde como as ondas de radar de antigamente, que eram praticamente raios X. 4.1.4 Instrument Landing System (ILS) O ILS é um sistema de aproximação por instrumentos, que dá a orientação necessária e precisa ao avião que esteja pousando em uma determinada pista. Possui dois sistemas distintos, no qual um deles mostra a orientação lateral do avião em relação a pista (localizer) e o outro mostra o ângulo de descida, ou seja, a orientação vertical (glideslope). "Sistema baseado na transmissão de sinais de rádio que são recebidos, processados e apresentados nos instrumentos de bordo do avião." [14] Figura: "Funcionamento do ILS mostrando o padrão de emissão do localizer e do glideslope"[14] O localizer auxilia na precisão do pouso para que o avião ocupe a pista de maneira correta e o glideslope auxilia na precisão do pouso para que o avião entre em contato com a pista de maneira correta. Capítulo 5: Fuselagem A fuselagem de uma aeronave de asa fixa, como o avião comercial estudado por esta monografia, é o corpo do avião e é geralmente divida em 5 partes principais - fuselagem, asas, estabilizadores, superfícies de controle e trem de pouso. Seus componentes são normalmente construídos por uma grande variedade de materiais que são unidos por rebites, parafusos e soldagem ou adesivos. Essa fuselagem possui membros estruturais que são projetados para suportar uma carga ou resistir ao estresse. Uma fuselagem tipo semi-monocoque é construída de ligas de alumínio e magnésio, tendo aço e titânio em áreas expostas a altas temperaturas. Possui longarinas, feitas de liga de alumínio, que se estendem através de diversos pontos de apoio e são suplementadas por vigas de reforço, feitas do mesmo material, porém, mais numerosas e leves que as longarinas. "Os membros verticais são chamados de paredes, cavernas e falsas nervuras."[1] Membros mais pesados estão localizados a intervalos ou em pontos de encaixes para fixar outras unidades (asas, motores etc.). Figura: "Membros estruturais da fuselagem"[1] A resistência para suportar os estresses submetidos pelo vôo (tensão, compressão, torção, cisalhamento e flexão) é um dos requisitos principais em certas estruturas, porém outras partes, como capotas, carenagens e semelhantes geralmente não precisam suportar estresses impostos pelo vôo, mas sim possuir qualidades, com acabamento liso e formato aerodinâmico. Figura: "estações da fuselagem"[1] O formato e dimensões de uma fuselagem têm influência no arrasto, na estabilidade e na segurança da aeronave. Serve como local de instalação de outros sistemas necessários ao voo seguro como equipamentos de comunicação e navegação, sistema de ar condicionado e outros. Um avião é repleto de sistemas elétricos e a segurança em mantê-los em funcionamento aprimorou muito com a tecnologia. A perda total de energia em uma aeronave, por exemplo, é praticamente impossível. Para alimentar esses sistemas, o avião faz uso de geradores. 5.1 Geradores GERADORES Os geradores funcionam através de diversos conceitos físicos. Um deles é a indução eletromagnética, quando um fio é movimentado dentro de um campo magnético, surge uma força eletromotriz nesse fio. Aplicado em um gerador elétrico, produzirá eletricidade através de energia mecânica ou química. "O gerador ideal é um gerador capaz de fornecer às cargas elétricas que o atravessam toda a energia gerada, a tensão elétrica medida entre seus polos leva o nome de f.e.m., força eletromotriz, e será representada por E."[15] Figura: "gerador ideal"[15] "Os geradores reais são quando a corrente elétrica que o atravessa sobre certa resistência, assim uma perda da energia total, será chamado de r a resistência do gerador."[15] Figura: "gerador real"[15] Usamos a seguinte fórmula para o cálculo do gerador real: U=E –r.i Sendo U o quociente de tensão do gerador, E o quociente de tensão entre os polos, r é a resistência interna do gerador e i a corrente elétrica. Em um avião, não há um tipo de gerador padrão, sendo diversificado o seu uso dependendo de seu porte. 5.2 Sistema elétrico de um avião Toma-se como exemplo o sistema elétrico de Boeing 777. Há dois tipos de corrente elétrica nos aviões: AC (corrente alternada) e DC (corrente contínua). "A diferença entre uma corrente alternada (CA) e uma contínua (CC) é que a corrente contínua não altera seu sentido, ou seja, é sempre positiva ou sempre negativa."[16] Figura: "corrente contínua"[16] Uma corrente alternada, dependendo da forma como é gerada, esta é invertida periodicamente, ou seja, ora é positiva e ora é negativa, fazendo com que os elétrons executem um movimento de vai-e-vem. Figura: "corrente alternada"[16] "A corrente alternada é semelhante a que possuímos em casa, a que utilizamos a voltagem é 110/220V com uma frequência de 60 Hertz (ou seja, a luz de uma casa "pisca" 60 vezes em um segundo)"[17]. Em um avião, temos 115V com uma frequência de 400Hz, esse último gera menos interferência do que 60Hz nos sistemas de bordo. Lembre-se que Hertz (Hz) é uma unidade de frequência, expressa em ciclos por segundo. Aplica-se a descrição de qualquer evento periódico, por exemplo, o coração de um humano saudável em repouso bate a aproximadamente 1,2Hz (1,2 batidas por segundo). 1Hz significa 1 ciclo por segundo, sendo assim, 100Hz seriam 100 ciclos por segundo. No Boeing 777, existem três fontes principais de geração da força CA: dois geradores (chamados de IDGs), um em cada motor e um terceiro que fica na Auxiliary Power Unit, peça auxiliar da turbina. Qualquer um desses três geradores pode suprir toda a carga elétrica necessária que é utilizada para alimentar a aeronave. O sistema CC é usado para suprir as telas dos instrumentos, os computadores e o sistema Fly-By-Wire, com 28VCC. O computador que é utilizado em casa usa corrente contínua, pois transforma na fonte os 110/220VCA que recebe da tomada em 5/12VCC que serão utilizados pelo resto. O sistema CC tem 4 partes: Principal, Standby, Backup e Fly Control. "Um computador gerencia a força elétrica e em caso de perda de um gerador, direciona força elétrica de sistemas não essenciais como a música ou o filme na tela do assento e direciona a carga para sistemas essenciais." [17] Além dos três geradores IDGs, existe mais dois em cada motor chamados de Backup Generators (BUGs), que ficam na reserva e dois Permanent Magnet Generators (PMGs), também geradores. Se mesmo assim houver uma pane em todos os sistemas e geradores, o avião ainda tem uma bateria que alimenta esses sistemas CA e CC por uma hora. Para o sistema CA, existe um conversor que transforma CA em CC. Sendo assim, raramente existem panes no sistema elétrico de aviões mais novos e o projeto é realizado para que existam diversas possibilidades de compensação de perda de geradores. Outra segurança proporcionada pelo projeto da aeronave é o fato da fulesagem e suas partes serem ligadas umas as outras através de um cabo condutor, chamado de Descarregadores de Estática. "Elas servem para descarregar a energia estática acumulada na fuselagem em virtude do atrito com o ar."[18] Se não houvesse esses descarregadores, a energia acumulada pelo atrito com o ar interferiria na navegação e equipamentos de comunicação da aeronave. Figura: "Descarregadores de Estática"[18] Esses cabos condutores ligando todas as partes que formam o avião faz com que nenhuma delas fique isolada. Por isso, se um avião for atingido por um raio, por exemplo, ele não afetará nenhum dos passageiros e sistemas elétricos dentro de sua fuselagem. Essa proteção é baseada no princípio da gaiola de Faraday. 5.3 Gaiola de Faraday Michael Faraday (1791 — 1867) foi um físico e químico inglês, "sendo considerado um dos cientistas mais influentes de todos os tempos."[19] Suas contribuições mais importantes foram nos campos da eletricidade, eletroquímica e do magnetismo, além de contribuições para a física e química. Na física, foi um dos pioneiros no estudo da conexão entre eletricidade e magnetismo. Em 1821, logo após Oersted ser o primeiro a descobrir que a eletricidade e o magnetismo eram associados entre si, Faraday publicou seu trabalho que chamou de "rotação eletromagnética" (princípio por trás do funcionamento do motor elétrico). "Em 1831, Faraday descobriu a indução eletromagnética, o princípio por trás do gerador elétrico e do transformador elétrico." [19] Suas ideias sobre campos elétricos e magnéticos e a natureza desses campos em geral inspiraram os próximos trabalhos dessa área (por exemplo, as equações de Maxwell) e os campos de Faraday são conceitos-chave da física atual. Faraday foi um experimentalista e a Gaiola de Faraday foi um desses experimentos. O experimento consistiu em usar uma grande caixa com revestimento metálico, ou seja, uma grande gaiola, montada sobre suportes eletricamente isolados carregada com um gerador eletrostático. Em seguida, colocou um eletroscópio para provar que na parte interna os efeitos do campo elétrico gerados pela estrutura eram nulos. Até mesmo o próprio Faraday entrou na gaiola para provar que o interior estava seguro, sofrendo uma blindagem eletrostática e tornando-se um corpo neutro, as cargas elétricas positivas e negativas distribuem-se em equilíbrio, e, ao eletrizá-lo, as cargas em excesso se repelem até o ponto em que o corpo volte ao equilíbrio estático não havendo movimentação de cargas. Figura: "Exemplo de Gaiola de Faraday com um celular"[20] "Faraday descobriu que o interior de clausuras condutoras não sofre nenhuma interferência de campos eletromagnéticos gerados em seu exterior. Ou seja, se você tiver um invólucro protetor – mais ou menos como uma gaiola – feita de material condutor, o seu interior estará protegido de qualquer interferência eletromagnética do exterior." [21] O mesmo é aplicado aos aviões. Graças às ligações dos Descarregadores de Estática entre as diversas partes da aeronave e a proteção de metal, um ótimo condutor de eletricidade, a corrente elétrica contornará a o corpo do avião e será descarregada na mesma direção e sentido da trajetória inicial, sem comprometer a segurança de passageiros e a estrutura interna. "A EMBRAER utiliza-se um miliohmímetro da marca SEFELEC, que em cada operação e montagem, seja mecânica ou elétrica, é utilizado para se medir a resistência elétrica entre dois pontos, garantindo assim a condução da energia"[22]. 5.4 Arrasto O arrasto é uma força de resistência ao movimento de um objeto num fluido. A forma do objeto determina a força de arrasto. Por exemplo, objetos com formas aerodinâmicas são projetas para produzir o mínimo possível de arrasto. Em um avião, essa forma é o que determina o desempenho do avião. Figura: "Exemplos de Arrasto" Existem diversos tipos de arrasto que afetam uma aeronave. O de atrito, o de forma, o induzido e um quarto em relação aos supersônicos. Arrasto de atrito é o que ocorre junto à superfície de um objeto. Produzido em uma fina camada de ar, camada limite, o atrito é o resultado do deslizamento de uma camada de fluido sobre outra camada. As moléculas do fluido, nesse caso o ar, da camada limite movem-se em vias regulares paralelas à superfície ou vias irregulares. Arrasto de forma é observado quando o ar passa ao longo do objeto e em certo se afasta dele. Esse tipo de arrasto produz turbilhões de ar que subtraem energia do objeto, retardando seu movimento. É o que acontece com objetos que não sejam aerodinâmicos, como um pedaço de madeira. Ao ser arremessado, por possuir uma área grande de contato e um formato quadrado, o ar não faz um percurso que cria um fluxo saudável, criando turbilhões e impedindo que esse pedaço de madeira avance muito. O ar na superfície superior tem uma tendência a se mover na direção da fuselagem e para fora do bordo de fuga. Essa corrente de ar forma um vórtice similar na parte interna do bordo de fuga da asa. Esses vórtices aumentam o arrasto devido à turbulência produzida e constituem o arrasto induzido. Arrasto induzido é a diferença de pressão de cima e abaixo de um aerofólio. O ar da face inferior tende a fluir para fora e o ar do topo tende a fluir para dentro, causando uma corrente de envergadura. Linhas Aerodinâmicas são linhas com que se desenha um corpo para que se encontre o mínimo de resistência. Se for a velocidade a ser atingida por esse objeto é subsônica, deve ter um formato arredondado na frente e vá afilando atrás. A Equação do arrasto permite determinar a força a que é sujeito um objeto ao atravessar certo fluido. Esta equação tem a seguinte expressão: Fd= Cx ×ρ ×v²2 ×A Sendo: Fd é a força do arrasto Cx é o coeficiente de arrasto ρ é a massa específica do fluido (Na atmosfera terrestre, e de acordo com a equação barométrica tem o valor de 1,293 kg/m3 a 0°C e 1 atmosfera) v é a velocidade do objecto em relação ao fluido, A é a área de referência. Capítulo 6: Aerofólios O avião possui partes denominadas aerofólios. Esse tipo de peça é uma superfície baseada em um projeto para a melhor reação do ar, ou seja, conseguir a reação desejada através do ar que esse aerofólio está em movimento. Entendido essa definição, aerofólio é qualquer peça que converta a resistência apresentada pelo em ar em força de voo. 6.1 Hélices Um exemplo de peça encontrado é a pá de uma hélice, encontrada em aeromodelos, turbinas ou em aviões de pequeno porte. A hélice é constituída por uma, duas ou mais lâminas, todas elas dispostas com certa inclinação, sendo estas as pás e a parte central, vizinha do eixo, o cubo. São muito parecidas com as asas, possuindo: o bordo de ataque, o bordo de fuga, os bordos marginais, os perfis, etc. Figura: "Hélices"[23] As pás são projetadas para que, quando realizada a rotação, suas formas e posições criem uma alta pressão, sendo essa maior na parte traseira em relação a parte frontal, impulsionando a aeronave para frente. 6.1.1 Efeito Torque O efeito de torque denomina a reação que é gerada pela força rotacional da hélice, que faz com que o avião rode no sentido contrário ao do deslocamento das pás. A prova real pode ser feita em um aeromodelo sem asas, que rodará para o sentido oposto da rotação da hélice através do torque. "Em voo, a força de torque é grandemente amortecida pela asa, mas mesmo assim faz baixar uma das pontas, provocando um deslocamento equivalente a um golpe de ar constante, atuando sobre a superfície de uma das semiasas."[24] 6.2 Asas Outro modelo de aerofólio é a asa convencional. Estas são projetadas para serem muito fortes e muito leves. A estrutura da asa é feita de três componentes principais: a longarina traseira; a longarina principal e as nervuras. As nervuras são feitas de alumínio aeronáutico, resistente a corrosão e tem grande resistência a tração, permitindo que resista a pressões extremas. Possui buracos para cabos de controle e redução de peso geral. Além da asa, são usadas em ailerons, profundores, lemes e estabilizadores. Figura: "Ponta removível de uma asa"[25] A longarina principal passa por todo o comprimento da asa. É feita de um alumínio três vezes mais grosso que o da nervura. São os membros estruturais da asa, correm paralelamente ao eixo lateral e são geralmente presas à fuselagem, através de ferragens. Figura: "Protótipo aéreo"[25] Essa estrutura recebe uma cobertura da asa e da borda de ataque, sendo essa uma placa feita do mesmo material da nervura, reforçando e fortalecendo com esse revestimento. A partir desse projeto base, obtemos a asa convencional final. Figura: "Asa de um avião comercial" O aerofólio recebe algumas terminologias para cada parte de sua estrutura, para facilitar o entendimento dos efeitos em cada uma delas e também para melhor organização do espaço referente aos controles de voo localizados na asa. Figura: "Terminologias do aerofólio"[26] Esse modelo de asa é o mais comum usado em aviões comerciais, os aviões de acrobacias e caças supersônicos costumam usar um modelo simétrico de asa, tanto na parte superior quanto na inferior, sendo a sua sustentação gerada pelo ângulo de ataque. Com a análise da figura acima, nota-se que a parte superior da asa é mais encurvada que a inferior, menos encurvada. Essas diferenças de curvaturas também produzem um diferente resultado no fluxo de ar, gerando a sustentação. O ar que está passando pela parte superior percorre uma distância maior devido à curvatura. Isso gera um ganho de velocidade no ar da parte de cima, tendo assim menor pressão que a parte inferior e o impulsionando para cima, ação explicada pelo Princípio de Bernoulli. 6.2.1 Sustentação A explicação para o gera realmente a sustentação no avião divide opiniões. Existem inúmeras controvérsias na literatura e conceitos errôneos empregados. As opiniões ficam divididas entre o Princípio de Bernoulli ou Leis de Newton para explicar como os aerofólios realmente funcionam. Porém, o que muitos não sabem, é que tanto Newton quanto Bernoulli não se opõem, mas sim que tanto as leis de Newton quanto o princípio de Bernoulli são perfeitamente compatíveis. "Aliás, a equação de Bernoulli é facilmente obtida como uma equação de conservação de energia a partir das leis de Newton." [26] Essa oposição começa quando cada lado disputa apenas a aplicação de uma das duas maneiras como sendo a correta. Porém, ambas as descrições podem e devem ser usadas. 6.2.2 Princípio de Bernoulli Daniel Bernoulli (1700 — 1782) foi um matemático holandês, membro de uma família de talentosos matemáticos, físicos e filósofo. Foi um dos primeiros europeus de renome a aceitar a física newtoniana. Em 1728, passou a estudar as leis dos gases. Partiu do princípio de que esses gases possuíam pequenas partículas se comparadas com a distância que as separavam. Dez anos depois, em 1738, publicou Hydrodynamica (Hidrodinâmica), no qual publicou sua mais importante pesquisa, o Princípio de Bernoulli. "Os estudos de Bernoulli sobre o fluxo dos fluidos tiveram muitas aplicações práticas. Ele delimitou o fluxo laminar e o fluxo turbulento, por exemplo. Demonstrou que os fluidos que fluem em camadas o fazem muito mais suavemente e requerem menos energia que o fluxo turbulento. Portanto, navios dotados de um formato que promovesse o fluxo laminar cortariam as águas mais eficazmente que aqueles que criam contracorrentes e sulcos." [27] Esse princípio estabelece que quando um fluido, nesse caso o ar, passa por um recipiente cilíndrico (tubo) que possui um estreitamento em certa região, a velocidade desse fluido aumenta e sua pressão reduz. "Quanto maior for o fluxo de ar que passa por uma determinada superfície, menor será a pressão a que essa estará submetida." [28] Figura: "Princípio de Bernoulli"[26] Aplicado a uma asa convencional, o lado que possui uma curvatura afeta o fluxo do ar (fluido), como pode ser analisado na figura acima. Com essa diferença de velocidades, uma área de baixa pressão se forma na parte superior e, consequentemente, é impulsionada para cima pela alta pressão na parte inferior, movimento esse denominado sustentação. Um grave erro da literatura na explicação de Bernoulli para a sustentação é o uso da hipótese de que os tempos de trânsito do ar, superior e inferior, são iguais. Embora seja plausível, essa teoria é falsa, provada através de experiências e equações. Uma prova fácil e simples é fato do voo invertido ou de ponta-cabeça, que é possível com o ajuste do ângulo de ataque, mas impossível se seguir a teoria dos trânsitos iguais. Figura: "Linhas de corrente do ar atravésde uma asa em túnel de vento"[26] A figura mostra as linhas do fluxo de ar sobre um aerofólio em um túnel de vento, no qual o fluxo é visível graças a fumaça. Percebe-se claramente de que o ar que flui pelo extradorso (superior) chega à borda de fuga antes do ar do intradorso (inferior). Figura: "Representação muito comum do fluxo de ar por uma asa. A asa não tem qualquer sustentação"[26] Na figura, as linhas de corrente após o bordo de fuga são paralelas às do fluxo incidente. Se sobre asa age uma força para cima para compensar a feita pelo peso da aeronave, o ar deve ser acelerado para baixo de modo a produzir a força de reação, que é a sustentação. Portanto, o fluxo após a saída do bordo de fuga nunca pode estar em paralelo ao fluxo incidente, sendo uma simples aplicação das leis de Newton. 6.2.3 Leis de Newton Um objeto em movimento no ar sofre uma força exercida sobre ele, resultado oposto e de mesma intensidade do seu próprio movimento. Cria-se um fluxo de ar em volta deste objeto chamado vento relativo. Efeito explicado pela terceira lei de Newton. "Lei III: A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade: ou as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas em direções opostas." [29] Sendo assim, o movimento do avião o impulsiona para frente enquanto o ar é impulsionado para trás. A terceira lei de Newton também é aplicada ao downwash. O ar que sai do extradorso sai em para baixo e não em paralelo, pois é ele que deve gerar uma força oposta e de mesma intensidade a partir dessa ação e não voltando em paralelo com o ar do intradorso, como se a variação do ar terminasse no bordo de fuga. Figura: "Fluxo de ar verdadeiro pela asa, mostrando o upwash e o downwash"[26] O fluxo de ar correto está representado na figura acima. Em que as linhas acompanham a superfície superior (upwash) e seguem para baixo (downwash) após deixam o bordo de fuga. "A figura ainda exibe claramente o fato de que o espaçamento entre as linhas na parte superior é menor do que na parte inferior, que é essencial para o emprego correto do princípio de Bernoulli na explicação da sustentação das asas."[26] Por fim, o único questionamento realizável sobre a questão da sustentação é o de como a asa desvia o ar para baixo. Isso pode ser explicado pelo Efeito Coanda. 6.2.4 Efeito Coanda Henri Marie Coanda (1886 — 1972) foi um inventor e pioneiro da aerodinâmica romeno. "Construiu o primeiro avião movido por um motor a jato do mundo, o Coanda-1910 em 1910."[30] Também foi o primeiro a reconhecer a aplicação prática do fenômeno denominado efeito Coanda no desenvolvimento de aeronaves. Quando um fluido que escoa, a água por exemplo, encontra uma superfície curva pela frente, a tendência é que o fluido acompanhe o perfil daquela superfície. Um exemplo é colocar um copo debaixo de um filete de água e fazer com que ela touque levemente o lado do copo. A presença do copo faz com que a água grude nele e escorra seguindo seu formato curvo, essa tendência é chamada de efeito Coanda. Figura: "O efeito Coanda"[26] Porém, segundo a primeira lei de Newton, se o fluido se encurva é porque existe uma força atuando sobre ele e a terceira lei confirma que o fluido exerce uma força de reação igual e oposta. Então, como explicar o fato de que o fluido acompanha o perfil da superfície? A resposta para esse questionamento é a viscosidade, a resistência ao escoamento que também faz com que o ar tenha aderência a essa superfície. A viscosidade do ar é pequena, mas é suficiente para fazê-lo querer se grudar a uma superfície. No mesmo minuto, a velocidade relativa entre a superfície e as moléculas do ar é zero (razão pela qual não se consegue tirar a poeira de um carro jogando água sobre ele). Acima da superfície, o fluido tem uma pequena velocidade e quanto mais afastado da superfície, maior será a velocidade do fluido até que ela atinja o valor do fluxo livre. Uma vez a velocidade do fluido na superfície varia, seu fluxo é encurvado em direção à superfície por forças de cisalhamento, uma tensão de corte que veio do sentido oposto. A menos que a curvatura dessa superfície seja muito abrupta, o fluido seguirá o perfil da mesma. "O volume de ar ao redor da asa que parece estar parcialmente grudado a ela é chamado de "camada limite" e tem menos de 2,5 cm de espessura mesmo em asas grandes. As magnitudes das forças sobre o ar (e sobre a asa) dependem de quão "fechadas" são as curvas que o ar faz. Quanto mais a curva for fechada, maiores as forças atuantes. Note que a maior parte da sustentação ocorre na parte dianteira da asa. Na verdade, metade da sustentação total de uma asa surge na região dianteira que corresponde a 14 do comprimento da corda." [26] 6.3 Coeficiente de Sustentação O coeficiente de sustentação de um aerofólio relaciona sua capacidade de produção de sustentação à velocidade do ar, densidade, área da asa e ângulo de ataque. Equação padrão para o cálculo da sustentação: L=Cl×12×ρ×V2×A Sendo: L = sustentação Cl = coeficiente de sustentação ρ = densidade do ar V2 = velocidade do ar A = área da asa "Como exemplo, vamos calcular a sustentação de um avião com 40 pés de envergadura e um comprimento de perfil de 4 pés (área da asa = 160 pés quadrados), movendo-se a uma velocidade de 100mph (161 km/h) ao nível do mar (146,7 pés, ou 45 metros por segundo). Suponhamos que a asa tenha uma seção transversal constante utilizando um formato de aerofólio Naca 1408 e que o avião esteja voando de forma que o ângulo de ataque da asa seja de 4 graus. Sabemos que: A = 160 pés quadrados ρ = 0,00238 slugs/ pé cúbico (ao nível do mar em um dia normal; slug é unidade americana de massa; 1 slug = 32,17 libras) V = 146,7 pés por segundo Cl = 0,55 (coeficiente de sustentação para aerofólio Naca 1408 a 4 graus AOA) Agora, calculamos a sustentação: Sustentação = 0,55 x 0,5 x 0,00238 x 146,7 x 146,7 x 160 Sustentação= 2.254lbs"[31] 6.4 Perdas e Ganhos de Sustentação Com certas limitações, a sustentação gerada pode ser aumentada, através do ângulo de ataque, área da asa, velocidade do fluxo ou a densidade do fluido, além dos diferentes aerofólios. 6.4.1 Ângulo de Ataque Para melhor compreensão do ângulo de ataque, devemos entender o que são "corda" e "centro de pressão". A corda é uma linha invisível que passa do bordo de ataque ao bordo de fuga. Essa corda gera um ângulo com a direção relativa do fluxo de ar, formando o ângulo de ataque. Sendo assim, ângulo de ataque é o ângulo que está entre a corda e o vento relativo. O centro de pressão é o ponto mediano da força resultante (sustentação) na corda. Esse centro muda de local de acordo com o ângulo de ataque, indo para frente quando aumenta o ângulo e para trás quando este diminui. Figura: "ângulo de ataque"[1] Quando projetado, o ângulo de ataque é muito importante no desempenho de um aerofólio. A sustentação é aumentada a partir do aumento do ângulo de ataque, atingindo seu máximo no chamado ponto crítico, máximo de inclinação do ângulo de ataque que um avião pode obter. Onde antes a sustentação aumentava, agora o arrasto aumenta e o avião passa a cair em altura, conhecido como estol. 6.4.2 Estol O estol ocorre quando o ângulo crítico, ou seja, o máximo é atingido, o ar não flui corretamente pela parte superior da asa e ocorre uma quebra nesse fluxo suave, sendo este substituído por ar turbulento. O que antes era uma área de baixa pressão, passa a ter ar turbulento que não flui suavemente e cessa o Princípio de Bernoulli. A sustentação diminui e o arrasto é excessivo, assim a força da gravidade joga o nariz do avião para baixo. Isso é conhecido como ângulo de estol e varia de acordo com o ângulo de ataque que cada asa proporciona a sua aeronave. O estol é simplesmente a perda de sustentação, mas também é conhecida como uma estratégia usada em Guerra. Em um combate aéreo, um avião A sofrendo um ataque possui ângulo de estol maior que o de seu inimigo B, então o avião A sobe, aumentando seu ângulo de ataque cada vez mais. O inimigo B, ao segui-lo, também sobe, porém, cai primeiro que o outro avião, pois atingiu seu ponto crítico (ângulo de estol) antes de seu inimigo A. Após alguns segundos, quem antes era a vítima A sendo atacada agora cai atrás de seu inimigo B e pode atacá-lo. Figura: "diagrama de uma aeronave em voo normal e em estol"[32] 6.4.3 Turbulência Quando um avião entra em uma área de turbulência, os efeitos podem ser sentidos em suas estruturas, com balanços e trepidações. Um voo em atmosfera estável possui um fluxo de ar regular, porque a velocidade e a direção do vento são constantes, o fluxo passa corretamente pela asa da aeronave e gera a sustentação. Entretanto, existem variações atmosféricas, determinadas por diversos fatores. O movimento do ar pode ocorrer pela diferença de temperatura entre o mar e a terra, fazendo uma parte do ar esquentar e subir, enquanto outra massa de ar mais fria desce. A fronteira entre essas duas massas de ar pode ser uma área de turbulência. Uma das causas mais comuns que interferem no nivelamento e sustentação do avião são as nuvens. "Dentro dessas nuvens há grande variação de pressão. O ar está virando em redemoinhos e variando sua velocidade em todos os sentidos, o que causa uma grande turbulência." [33] Figura: "diferentes massas de ar"[33] Essa instabilidade do movimento do ar em uma parte da atmosfera é a turbulência propriamente dita. Nessa atmosfera instável, a velocidade e a direção do vento mudam constantemente no espaço e no tempo. Figura: "sustentação comprometida"[33] Essa variação abrupta afeta a sustentação, já que o ar não flui mais corretamente pela asa, mas sim em diversas direções, fazendo o avião oscilar ao subir e descer repentinamente. O avião enfrenta a turbulência de diversas formas. Primeiro, por possuírem estruturas flexíveis, como as da asa, o impacto das alterações repentinas de sustentação é amenizado para que elas não quebrem em situações mais radicais. Além disso, certos aviões mais modernos possuem um sensor que identifica as mudanças de velocidade do vento e comanda um mini-flap na ponta do flap principal, que se encontra na borda de fuga da asa. Esse mini-flap automaticamente compensa as mudanças abruptas na sustentação e diminuem o efeito sobe-e-desce, estabilizando o fluxo agressivo de ar. Figura: "acionamento dos mini-flaps"[33] Os passageiros que estão dentro do avião sentem a turbulência, pois as pessoas estão em inércia, com tendência de um corpo a manter seu movimento, nesse caso, em repouso. Seguindo a Primeira Lei de Newton: "Lei I: Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele."[29] Sendo assim, um objeto que está em repouso ficará em repouso a não ser que uma força resultante aja sobre ele e um objeto que está em movimento não mudará a sua velocidade a não ser que uma força resultante aja sobre ele. A turbulência gera uma força externa abrupta que nos afeta e impulsiona nesse momento. Assim como os passageiros recebem os efeitos porque estão na parte interna do avião, os órgãos internos das pessoas também possuem uma reação, devido ao mesmo efeito da inércia. Os órgãos mais leves reagem primeiro e depois os mais pesados, tendo um ritmo diferente e uma batalha por espaços. "O cérebro interpreta essa briga por espaços como algo de errado no intestino. Sua resposta é a produção de adrenalina, hormônio das situações de perigo." [33] A adrenalina estimula a contração muscular. Tensos, os músculos que envolvem todos os órgãos fazem eles reduzirem o seu volume. Se o estômago reduzir muito o seu volume, receberá tanta contração e causará ânsia de vômito nos passageiros. Uma turbulência por mais forte que ela possa ser, não é a maior causa dos acidentes e também dificilmente derrubará um avião. 6.4.4 Ângulo de Incidência Em um avião, temos o eixo longitudinal. Este também é uma linha invisível presente no meio da aeronave. O ângulo de incidência é o ângulo agudo formado entre a corda da asa e o eixo longitudinal desta. Na maioria dos casos, é um ângulo fixo. Sua classificação varia com o ângulo de ataque. Se o ângulo de ataque está mais alto que o bordo de fuga, o de incidência é positivo. Se o bordo de ataque está mais baixo que o de fuga, é dito negativo. 6.4.5 Área da Asa A área da asa é medida em pés quadrados, conhecida como área de sombra projetada pelo sol. As forças de sustentação também sobre alteração de acordo com a área, sendo que se esta área for duplicada, outras variáveis permanecem a mesma, mas o arrasto e a sustentação são intensificados duas vezes também. 6.5 Formato do Aerofólio O modelo de uma asa varia de acordo com as características de voo que são visadas pelo piloto ou passageiro. Existem diversos modelos, variando sua espessura, torção e enflechamento. A turbulência e o atrito são controlados pelo alongamento destes aerofólios. Se asa for muito longa, será muito fina e, em certos casos, espessa, gerando maior atrito de superfície e também maior turbulência pela sua fineza. É impossível criar uma asa perfeita que não gere atrito ou tenha alguma desvantagem, como ser apenas aplicada a um tipo de voo ou produção de alto custo. Se um aerofólio é perfeitamente aerodinâmico e oferece pequena resistência, muitas vezes não gera sustentação suficiente para decolar o avião. Entre os principais modelos de asas, estão seis que possuem uma geometria diferenciada entre si. Figura: "diferentes geometrias"[34] Seguindo a numeração, obtemos: 1. Asa trapezoidal; 2. Asa enflechada; 3. Asa com enflechamento negativo; 4. Asa em delta; 5. Asa com geometria variável; 6. Asa oblíqua. A asa trapezoidal, que pode ser encontrada no caça norte-americano P-51 Mustang, é mais eficiente aerodinamicamente e menos estruturalmente. Não pode ser usada em voos supersônicos e é destinada para voos com velocidades mais baixas (subsônicas). A asa enflechada, presente no caça URSS MiG-17, já pode ser usada em aviões que desenvolvem grandes velocidades, mas ainda sem quebrar a barreira do som. Muito utilizada em aviões comerciais atuais, apresenta vantagem na construção aerodinâmica. A asa com enflechamento negativo, esta no bombadeiro Junkers Ju 287, é similar a enflechada, porém, apresenta mais vantagens. Dificulta o estol, pode ser alocada em uma parte mais recuada da fuselagem e a ponta da asa funciona melhor. Entretanto, é muito rígida e sofre com instabilidade em velocidades muito altas. A asa em forma de delta, encontrada tanto em caças suecos com o JAS-39 Gripen como em ogivais, o supersônico Concorde, serve para voos em velocidades supersônicas. Quando o avião excede a velocidade do som, cria-se uma onda de choque ao redor deste. Os outros modelos de asa ficariam com pontas fora dessas ondas de choque, consequentemente dafinicando-as. As asas delta ficam inteiramente inseridas nas ondas de choque e assim intactas. A asa com geometria variável, presente no caça Dassault Mirage G, proporciona pousos e decolagens de baixa velocidade, mas voos de alta velocidade. Assim como as outras asas, possui suas desvantagens, como o fato de ser grande, causando grandes coeficientes de arrasto. 6.6 Tubo de Pitot O tubo de Pitot é um sensor de pressão que possibilita o funcionamento do velocímetro. É um tubo instalado paralelamente ao vento relativo e possui um orifício voltado para o fluxo de ar resultante da velocidade aerodinâmica. Em seu interior, existe uma cápsula aneróide que se comunica com esse orifício. "A caixa do instrumento recebe a pressão estática do ar de uma fonte estática, que não é afetada pela variação de velocidade da aeronave." [36] Quando a aeronave se desloca na massa de ar, o vento relativo causa aumento na pressão de ar admitida pelo orifício do Pitot e essa "pressão de impacto" é somada à pressão estática da atmosfera, fazendo com que a cápsula em seu interior expanda. Essa expansão transmite aos ponteiros do velocímetro por hastes e engrenagens, como setor e pinhão, e o ponteiro se movimenta, indiciando a velocidade. Figura: "tubo de Pitot"[36] A equação que explica matematicamente o funcionamento do tubo de Pitot: pt= ps +ρV²2 Então, temos para a velocidade: V= 2pt-psρ Sendo: pt = pressão total ou de estagnação ps = pressão estática V = velocidade aerodinâmica ρ = densidade do ar Capítulo 7: Motores e Turbinas A função de uma turbina aeronáutica é gerar empuxo suficiente, ou em certas literaturas, a tração suficiente para que o avião acelere e a força gerada para o levantamento de suas asas supere o seu peso. Essa tração em a finalidade de vencer a resistência aerodinâmica presente sobre o avião. O funcionamento de um motor a reação baseia-se na 3ª Lei de Newton ou Lei da Ação e Reação. Temos a constituição básica de um motor a jato: Figura: "motor a jato"[23] O compressor e a turbina formam um conjunto girante que constitui uma única peça móvel. Figura: "compressor e bobina"[23] A câmara de combustão representada pode ser comparada a um reservatório de ar comprimido, uma mola que empurra para trás o ar do tubo de descarga, fazendo com que a turbina avança para frente. O duto de admissão ordena o fluxo de ar na entrada do motor, garantindo o bom funcionamento do compressor. Figura: "duto de admissão"[23] O compressor comprime o ar que entra pelo duto. Existem dois tipos: o centrífugo, o ar entra no sentido paralelo ao eixo e sai no sentido perpendicular ao mesmo e é melhor para pressões mais elevadas; e o compressor axial, o ar entra e sai no sentido paralelo ao eixo e é melhor para comprimir volumes maiores de ar. Figura: "centrífugo (esq.) e axial (dir.)"[23] Unindo o conjunto rotativo, obtemos o motor ilustrado: Figura: "motor a jato"[23] As pás do compressor axial devem receber um fluxo de ar uniforme e no ângulo apropriado. Pois se não, o fluxo será turbulento e reduzindo a taxa de compressão, ocasionando o estol de compressor. O compressor também possui um estator, formado por pás ou lâminas estacionárias, tendo também lâminas variáveis as quais corrigem constantemente o fluxo de ar sobre as lâminas rotativas, evitando o estol do compressor. Figura: "estator"[23] O compressor produz ar comprimido e seu volume não se compara com o fluxo do jato do motor. O ar só ganha sua força na câmara de combustão, um tubo alargado para acomodar a expansão de gases da combustão. O ar se expande por todo o espaço, caso contrário, se não houvesse o alargamento, a pressão aumentaria e o ar retornaria para o compressor. Figura: "câmara de combustão"[23] É preciso evitar que a chama seja soprada para fora da câmara ou que causa a fusão do material da câmara. O fluxo de ar é dividido em duas partes, sendo o primário e o secundário. "O ar primário corresponde a cerca de 1/4 do total, e entra num setor alagado que funciona como difusor, onde a velocidade diminui e o fluxo torna-se turbulento, facilitando a mistura do ar com o combustível. O ar secundário, que corresponde a cerca de 3/4 do total, não participa da queima do combustível. Ele contorna o difusor e mistura-se com os gases quentes, expandindo-se para gerar tração. O ar secundário forma também uma camada fria que protege a câmara de excesso de calor."[23] O bico injetor presente dentro da câmara de combustão recebe combustível sob pressão e pulveriza finamente, misturando-o com o ar primário. O bico injetor também recebe um pequeno fluxo de ar do compressor, para evitar o depósito de carvão no orifício de pulverização. No ar está presente o oxigênio que permite a combustão com as partículas de carvão, transformando-as em gás carbônico. Figura: "primário e secundário"[23] A turbina serve para extrair potência desses gases queimados, para acionar o compressor e outros acessórios, já que eles formam uma peça única. Em aviões, são usadas apenas turbinas do tipo axial. Suas pás aguentam altas temperaturas, podendo ter canais de resfriamento através de ar comprimido. Figura: "turbina"[23] Nos motores de dois rotores, há dois compressores e duas turbinas. O rotor de alta pressão, que gira mais rapidamente, funcionando em pressões mais elevadas. Essa subdivisão de carga de trabalho aumenta a eficiência e evita ainda mais o estol do compressor. Um motor a reação consegue funcionar sem o bocal propulsor, mas os gases deixariam a turbina ainda mais pressurizada e desperdiçariam essa energia na atmosfera. O bocal serve para aproveitar essa energia de pressão, que aumenta a velocidade dos gases e corrige o fluxo desalinhado que sai da turbina. Figura: "bocal propulsor"[23] Todo o processo realizado por esse motor a reação segue o modelo ideal do Ciclo Brayton. 7.1 Ciclo Brayton O Ciclo Brayton é um ciclo termodinâmico no qual a adição de calor ocorre a pressão constante e este ciclo é utilizado no estudo de turbinas a gás. É um ciclo ideal, que busca uma aproximação com os processos térmicos que ocorrem nas turbinas a gás. Descreve variações de estado (seriam a pressão e a temperatura) dos gases. O ciclo é usado para a análise de ciclos reais, que se desviam do ciclo ideal por causa de fenômenos irreversíveis com o atrito. Começamos o Ciclo Brayton, que é dividido em quatro etapas: Figura: "Diagrama Entalpia x Entropia de Ciclo Brayton (ideal) e ciclo real a gás"[37] 1. Inicialmente, o ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática, no qual a energia interna se transforma em trabalho diretamente, e isentrópica, aquela em que a entropia do sistema permanece constante, com aumento de temperatura e aumento de entalpia (1-2); 2. Depois de comprimido, o ar é direcionado às câmaras, misturando-se com combustível que possibilita a queima e aquecimento, à pressão constante (2-3); 3. Ao sair dessa câmara de combustão, os gases, à alta pressão e temperatura, se expandem ao passarem pela turbina, idealmente em Brayton sem variação de entropia (3-4). "Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica." [37] A potência é o trabalho que o motor executa por unidade de tempo. A potência é medida pela capacidade um cavalo de erguer 75kgf à 1m/s, referente à unidade Cavalo Vapor, CV. A potência é igual ao torque multiplicado pela velocidade de rotação. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina. A quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. 4. Conceitualmente, a última etapa representa a transferência do calor do fluido aquecido e pressurizado no Ciclo para o ambiente (4-1). Desse modo, mesmo sendo um ciclo aberto, parte da energia vinda da combustão é rejeitada sob a forma de calor, presente nos gases quentes de escape. 7.2 Empuxo O empuxo, como já vimos, é uma força gerada através de algum tipo de propulsão presente na aeronave, com o objetivo de superar o arrasto. Sua intensidade depende de fatores associados com esse sistema de propulsão: tipo de motor, número de motores, ajuste da aceleração e a sua velocidade. Essa força é explicada pela terceira lei de Newton, popularmente conhecida como Lei da Ação e Reação. O gás quente produzido pelo motor é expelido pela parte traseira e origina uma força de reação de sentido contrário: o empuxo. Figura: "downwash criado nas nuvens" Um planador não produz empuxo, visto que ele não possui nenhum sistema de propulsão. Nesse caso, o planador é levado até grandes altitudes por outro avião e quando solto, a energia cinética é a responsável pelo impulso, gastando energia potencial, além de utilizarem as correntes de ar para o ganho dessa mesma energia. Para finalidades técnicas, utilizam-se fórmulas simplificadas para o cálculo de tração. A mais conhecida é a seguinte: T=P -PoA + WV2 - V1g Sendo: T = tração P = pressão na saída do bocal propulsor Po = pressão na entrada A = área do bocal propulsor W = fluxo de peso (peso de ar fluindo por unidade de tempo) V2 = velocidade na saída do bocal propulsor V1 = velocidade na entrada (velocidade do avião) g = aceleração da gravidade (9,8m/s² ou32,2ft/s²) Uma forma mais simplificada seria: T= m(V2 - V1) Sendo: T = tração m = fluxo de massa (massa do ar fluindo por unidade de tempo) V2 = velocidade na saída do bocal propulsor V1 = velocidade na entrada (velocidade do avião) "Exemplo de cálculo de tração desenvolvida por um motor a jato. Dados: Fluxo de ar = 98kgf/s Velocidade na entrada = 80m/s Velocidade na saída = 600m/s Área de saída = 2000cm² Pressão na entrada = 0,04kgf/cm² Pressão na saída = 0,44kgf/cm² Solução: T=0,44kgfcm2- 0,04kgfcm22000cm²+98kgfs(600ms- 80 ms)9,8ms² T=800kgf+5200kgf=6000kgf"[23] 7.3 Tipos de Motores e Turbinas O motor turbojato é o descrito no tópico inicial de Motores e Turbinas, sendo conhecido também por jato puro. É usado em velocidades supersônicas e em velocidades subsônicas, apresenta consumo excessivo e pouca tração devido à baixa velocidade. É ruidoso, por essa razão sendo substituído muitas vezes pelo turbofan ou o propfan. O motor turboélices é uma derivação do turbojato, a energia dos gases aproveitada aciona uma hélice. A turbina do motor extrai cerca de 90% da energia dos gases para girar a hélice e os 10% restantes foram o jato residual usado para aumentar a tração. O turboélice é um excelente propulsor para velocidades até 600km/h, tendo uma limitação em relação à hélice, cujas pás são ineficientes em velocidades supersônicas. Figura: "turboélices"[23] O motor turbofan é formado por um turbojato (núcleo), cuja turbina é aciona em conjunto o compressor e um fan, ventilador. A massa de ar movimentada é maior do que a de um turbojato, tendo maior tração e menor consumo. "O fluxo de ar quente do núcleo é envolvido pelo ar frio do fan e sua intensidade é menor que no turbojato, devido à potência que lhe foi extraída pela turbina." [23] Assim, torna-se mais silencioso. Figura: "turbofan"[23] Figura: "turbofan"[23] O motor propfan é uma combinação entre turbohélice e turbofan, não possui duto de ar e são bastante eficientes, porém, mais ruidosos que o turbofan. Usados também para velocidades subsônicas. Capítulo 8: Comandos de Voo 8.1 Dispositivos Hipersustentadores Os dispositivos hipersustentadores são aqueles que aumentam consideravelmente o coeficiente de sustentação. O flape é um dispositivo hipersustentador que serve para aumentar a curvatura do perfil, também aumentando o seu coeficiente de sustentação. O ângulo crítico do aerofólio diminui, pois o flape produz uma perturbação no escoamento que diferencia o fluxo de ar no extradorso da asa. Os flapes também são um freio aerodinâmico ao aumentar o arrasto do aerofólio. O tipo Fowler aumenta a área da asa e gera um aumento no coeficiente de sustentação. O slot, também conhecido como fenda ou ranhura, é um dispositivo hipersustentador que aumenta o ângulo de ataque crítico do aerofólio sem alterar a sua curvatura. O slot é uma fenda que suaviza o escoamento na parte superior da asa, o que evita o turbilhamento. Assim, a asa consegue atingir ângulos de ataque mais elevados e ter mais sustentação. O slat é uma lâmina móvel que fica recolhida em um voo normal e se estende quando necessário, formando o mesmo modelo de um slot. São conhecidas também por slots móveis, pois exercem a mesma função de auxiliar no ângulo de ataque. São fechadas pelo impacto do ar, mantendo-o recolhido junto ao bordo de ataque. 8.2 Comandos de Voo Os comandos de voo são dispositivos que permitem controlar os movimentos de um avião, que são realizados em torno de três eixos imaginários que passam pelo Centro de Gravidade (ponto imaginário onde está aplicado o peso do avião) do avião: 1. Eixo longitudinal: o movimento em torno do eixo longitudinal é denominado rolagem, rolamento, bancagem ou inclinação lateral e é realizado para a esquerda ou para a direita. 2. Eixo transversal ou lateral: o movimento em torno do eixo transversal é denominado arfagem ou tangagem, sendo subdivido em movimentos de: cabrar (para cima) e picar (para baixo). 3. Eixo vertical: o movimento em torno do eixo vertical é denominado guinada. 8.3 Comandos de Voo Primário Os comandos primários são as partes móveis dos aerofólios do avião para o controle de vôo. São eles: a. Profundor, elevador ou leme de profundidade: comanda os movimentos de arfagem (eixo 2); b. Ailerons: comandam os movimentos de rolagem (eixo 1); c. Leme de direção: comanda os movimentos de guinada (eixo 3). Essas superfícies de comando produzem forças extras necessárias ao controle do avião. Alteram o ângulo de ataque do aerofólio, como são móveis, deslocam o bordo de fuga do aerofólio. 8.4 Comandos de Voo Secundário Os comandos secundários têm diferentes funções, sendo conhecidos como equilibradores, compensadores ou "tabs". Estão presentes no bordo de fuga das superfícies dos comandos primários. Tem funções como: a. Compensar o avião para uma condição de voo desejada, como na figura: b. Reduzir a força necessária para movimentar os comandos, como os compensadores automáticos que se movimentam junto com a superfície principal de controle; c. Retirar tendências indesejáveis. 8.5 Superfícies de Controle Compensadas Superfícies que utilizam um método de compensação ou balanceamento aerodinâmico para aliviar esforços. Existem três tipos: a. Compensação por deslocamento do eixo de articulação: balanceamento da pressão realizado pela frente da área deslocada; b. Compensação através de saliência na superfície de comando; c. Compensação através do uso de compensador automático. Conclusão Após estudar sobre como a física é aplicada em um avião, percebemos a importância de cada detalhe para que todo um processo – nesse caso, a decolagem, o voo e o pouso – possam acontecer de maneira segura. Também percebemos como a física interfere no nosso dia de diferentes maneiras, como na aerodinâmica e o estudo do ar que respiramos. Além disso, o conhecimento na parte científica e no avanço tecnológico que nossa sociedade está caminhando. Estudar o avião e a física envolvida em sua operação desmistifica a ideia de que o avião desafia as leis da física é quase algo impossível, que causa estranhamento. A partir de conceitos físicos, foram desenvolvidos equipamentos e projetos inovadores que facilitam a vida humana. Aprimoramos cada vez mais nossa tecnologia, mas dando continuidade a conceitos e descobertas realizadas a mais de 300 anos por ilustres físicos e matemáticos como Isaac Newton, Michael Faraday e Daniel Bernoulli. Bibliografia 1. UNITAU. Apostila do Módulo Básico do Curso de Mecânico de Manutenção de Aeronaves. Taubaté. 2008. 2. NÚCLEO INFANTOJUVENIL DE AVIAÇÃO. Aerodinâmica. Disponível em: . Acesso em: 15 set. 2012, 19h50. 3. WIKIPÉDIA. Avião Comercial. Disponível em: . Acesso em: 10 jun. 2012. 20h30. 4. NASA. Parts of Airplane. Disponível em: . Acesso em: 04 ago. 2012. 16h10. 5. WOHANKA, Jeferson. 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